熱電偶式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

系別：電子信息與電氣工程系組員：王鵬飛熊王來顧勝池黃安福班級(jí)：10級(jí)自動(dòng)化（1）班指導(dǎo)老師：儲(chǔ)忠熱電偶式傳感器目錄

1熱電偶式傳感器的基本原理

2熱電偶式傳感器的材料結(jié)構(gòu)

3熱電偶式傳感器的應(yīng)用發(fā)展

1、工作原理

熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)，如圖所示。將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)電T和T0的溫度不同時(shí)，如果T>To在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，并在回路中有一定大小的電流，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，記為EAB，導(dǎo)體A，B稱為熱電極。接點(diǎn)T通常是焊接在一起的，測(cè)量時(shí)將它置于測(cè)溫場(chǎng)所感受被測(cè)溫度，故稱為測(cè)量端(或工作端、熱端)。接點(diǎn)T要求溫度恒定，稱為參考端(或冷端)。熱電動(dòng)勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)所組成，熱電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)。

一、熱電偶式傳感器的基本原理圖1原理圖熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)：熱電偶回路中的溫差電動(dòng)勢(shì)很小，忽略之，可得：熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大?。海?）取決于兩接點(diǎn)間的溫度差（2）取決于兩種不同電極的材料。與電路形狀無關(guān)。如果冷端溫度t0不變，被測(cè)溫度t可通過溫差電動(dòng)勢(shì)獲得。（t0端以B為正）（1）中間導(dǎo)體定律

由導(dǎo)體A、B組成的熱電偶回路當(dāng)引入第三種導(dǎo)體C時(shí)，只要保持第三種導(dǎo)體C兩端的溫度相同，引入導(dǎo)體C后對(duì)回路總電勢(shì)無影響，即回路中總的熱電勢(shì)與引入第三導(dǎo)體無關(guān)，這就是中間導(dǎo)體定律。根據(jù)這一定律，如果需要在回路中引入多種導(dǎo)體，只要保證引入的導(dǎo)體兩端溫度相同，均不會(huì)影響熱電偶回路中的熱電勢(shì)，根據(jù)此定律可以在回路中方便地連接各種導(dǎo)線及顯示儀表。

2、熱電偶基本定律（2）均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均勻介質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面、長(zhǎng)度以及各處的溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電勢(shì)。

圖2.有中間導(dǎo)體的熱電偶回路該定律說明：如果熱電偶的兩根熱電極是由兩種

均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。如果熱電極為非均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)處于具有溫度階梯的情況時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)，引起測(cè)量誤差。所以，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。（3）中間溫度定律 在熱電偶測(cè)溫回路中，常會(huì)遇到熱電極的中間連接問題，如果連接點(diǎn)的溫度為tn，連接導(dǎo)體A′或B′的熱電特性相同，則總的熱電勢(shì)等于熱電偶與連接導(dǎo)體的熱電勢(shì)的代數(shù)和。EABB′A′（t,tn,t0）=EAB（t,tn）+EA′B′（tn,t0）

根據(jù)這定律，在實(shí)際測(cè)溫中按照現(xiàn)場(chǎng)的安情況，可以連接熱電特性相同的導(dǎo)體A′或B′，起到延長(zhǎng)熱電極的作用，以適合不同的安裝要求。

如果導(dǎo)體A、B分別與第三導(dǎo)體C組成熱電偶，他們的測(cè)量端溫度均為t，參考端溫度均為t0產(chǎn)生的熱電勢(shì)分別為EAC（t,t0）和EBC（t,t0），由導(dǎo)體A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)可以按下式計(jì)算EAB（t,t0）=EAC（t,t0）-EBC（t,t0）=EAC（t,t0）+ECB（t,t0）這里采用的導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極，一般所用材料為純鉑，因?yàn)殂K容易提純，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，這種方法大大方便了熱電偶的選配工作，只要知道某些材料與標(biāo)準(zhǔn)電極相配的熱電勢(shì)，就可以由上述定律求出任何兩種材料組成熱電偶的熱電勢(shì)。（3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律

圖3中間溫度二、熱電偶材料、結(jié)構(gòu)和種類 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指按照國家標(biāo)準(zhǔn)，確定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系，有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表。而非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。通常所說的熱電偶指的是標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，而在工業(yè)測(cè)量中使用得最多的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶主要有E(鎳鉻銅鎳)、K(鎳鉻．鎳硅)、J(鐵一銅鎳)、T(銅一銅鎳)四種類型。每種熱電偶材料都有常用的測(cè)溫范圍，如最常用的K型熱電偶，其覆蓋測(cè)量溫區(qū)為．270～1370~C，常使用的溫度范圍為0~600。1、對(duì)制成熱電偶的材料的要求：（1）溫度測(cè)量范圍廣，溫度線性度好，測(cè)量精確度高，輸出熱電動(dòng)勢(shì)大。（2）熱電性能穩(wěn)定。（3）物理化學(xué)性能好。不蒸發(fā)、抗氧化等。2、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)B適于測(cè)量1000℃以上的高溫常溫下熱電動(dòng)勢(shì)極小，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線抗氧化、耐化學(xué)腐蝕在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢(shì)小，不能用于600℃以下熱電動(dòng)勢(shì)的線靈敏度低性不好R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學(xué)腐蝕可作標(biāo)準(zhǔn)靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好價(jià)格高N熱電動(dòng)勢(shì)線性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序結(jié)構(gòu)變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢(shì)電偶相比時(shí)效變化大K熱電動(dòng)勢(shì)線性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時(shí)效變化大因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性不適用于還原性氣氛熱導(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛熱電動(dòng)勢(shì)較K型高20%左右鐵正極易生銹熱電特性漂移大T熱電動(dòng)勢(shì)線性好低溫特性好產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好可用于還原性氣氛使用溫度低銅正極易氧化熱傳導(dǎo)誤差大3、非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶名稱熱電極材料使用溫度范圍(℃)過熱使用溫度范圍(℃)特征正極負(fù)極鎢萊系Wre5、Wre3Wre26、Wre250～23003000適用于還原性、H2及惰性氣體。質(zhì)脆鉑銠系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh20300～15001100～160018001800在高溫下使用，熱電動(dòng)勢(shì)小，其它性能與R型相同銥銠系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh601100～20002100適用于真空、惰性氣體及微氧化性氣氛。質(zhì)脆鎳鉬系NiNiMo180～1280/可用于還原性氣氛，熱電動(dòng)勢(shì)大鈀鉑系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金0～11001300耐磨性能強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)的大小基本上與K型相同鎳鉻、金鐵以Ni-Cr為主的合金含0.07mo1%Fe的合金0～300K/20K以下熱電動(dòng)勢(shì)比較大，熱電動(dòng)勢(shì)的線性好銀金、金鐵含Au為0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金1～40K/熱電動(dòng)勢(shì)小，受磁場(chǎng)影響三、熱電偶傳感器應(yīng)用與發(fā)展1、熱電偶傳感器應(yīng)用的行業(yè):（1）化工行業(yè)（熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)）（2）鋼鐵工業(yè)：用于連續(xù)測(cè)量鋼水的溫度（3）用于反應(yīng)堆測(cè)溫（4）在天然氣凈化廠中的應(yīng)用（5）用于電廠溫度的快速測(cè)量,（6）在建筑節(jié)能檢測(cè)中的應(yīng)用彈簧固定熱電偶高溫防爆熱電偶 漏鋼是連鑄生產(chǎn)中一種災(zāi)難性的事故，漏鋼會(huì)損壞設(shè)備，降低作業(yè)率，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。連鑄漏鋼可分為粘結(jié)漏鋼、夾渣漏鋼、裂紋漏鋼等，漏鋼與鋼水成分、溫度、設(shè)備狀況、保護(hù)渣性能以及操作水平有密切聯(lián)系。生產(chǎn)過程中的漏鋼事故一般為鑄坯出生殼在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生粘結(jié)或其他異常情況沒有得到補(bǔ)救，出結(jié)晶器時(shí)沒有達(dá)到足夠的安全厚度而導(dǎo)致漏鋼。為了減少漏鋼事故發(fā)生，人們一直致力于開發(fā)漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)。通過在結(jié)晶器銅板中埋入溫度傳感器熱電偶對(duì)銅板進(jìn)行熱監(jiān)控，鐳目科技有限責(zé)任公司通過對(duì)影響漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)確率因素的研究，采取了一系列的改進(jìn)措施，成功研制出一種高準(zhǔn)確率的漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)多家鋼廠成功運(yùn)行，得到了廣泛的好評(píng)。2、熱電偶在具體工程中的應(yīng)用漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是一種可以通過分析分布在結(jié)晶器壁上的熱電偶采集到的溫度變化，得知坯殼破裂處及其擴(kuò)展，從而檢測(cè)出漏鋼趨勢(shì)并進(jìn)行報(bào)警的設(shè)備。RAMON漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由以下幾部份組成：現(xiàn)場(chǎng)操作箱、控制柜、工控機(jī)、熱電偶模塊、連接器、熱電偶、熱電偶保護(hù)套管、離線檢測(cè)裝置等部分組成，如圖所示。正常澆注情況下，由于結(jié)晶器內(nèi)新生高溫坯殼的不斷向下運(yùn)動(dòng)，上排熱電偶溫度大于下排熱電偶的溫度；當(dāng)坯殼發(fā)生粘結(jié)被拉斷時(shí)，補(bǔ)入的鋼水直接和銅板接觸，上排熱電偶溫度升高，拉斷處會(huì)形成薄弱的坯殼并將繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，在鋼水靜壓力的作用下緊貼銅壁，使下排的熱電偶溫度也隨之上升”。當(dāng)粘結(jié)嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使兩個(gè)熱電偶的溫升達(dá)到一定值，如果溫升超過允許值，系統(tǒng)便發(fā)出漏鋼報(bào)警，報(bào)警原理如圖2所示。3、熱電偶傳感器發(fā)展趨勢(shì)

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱電偶傳感器的缺點(diǎn)不斷地被克服，應(yīng)用也越來越廣泛。尤其是出現(xiàn)了數(shù)字式智能化的熱電偶傳感器，它是一種先進(jìn)的數(shù)字式測(cè)量系統(tǒng)，將其測(cè)量部件技術(shù)與微處理器的計(jì)算功能結(jié)合為一體，使得測(cè)量?jī)x表至控制儀表成為全數(shù)字化系統(tǒng)。太陽能發(fā)電是太陽能利用的一個(gè)重要方面，目前人們?cè)谔柲馨l(fā)電方面已經(jīng)作為大量研究，提出了各種不同的太陽能發(fā)電方法，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是太陽能光伏電池發(fā)電。這里主要研究的是利用熱電偶的熱電效應(yīng)，將熱電偶串并聯(lián)形成發(fā)電組件，將其熱端采用聚光集熱的方法用太陽能集中加熱，冷端由空氣自然冷卻，由此形成一種新型的太陽能發(fā)電方式。

傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合，使之不僅具有檢測(cè)功能，還具有信